热带副热带对流层中上层水汽场分析研究

利用GMS-5卫星水汽通道资料分析了1995年夏秋季热带对流层中上层水汽场的分布及其变化。分析表明：南印度洋-澳大利亚-南城市平洋地区是夏秋季对流层中上层最好干的地区，赤道太平洋、北太平洋是相对干区；夏秋季南亚和中国南部是对流层中上层最潮湿的地区，夏季比秋季更潮湿，反映出季风在这一地区的活动特点，月平均水汽场从8月到9月，高湿带观点华北平原突然南跳到南海海面，表明对流层中上层的水汽场在9月份发生突变，比大气环流的10月突变早1个月完成；青藏高原夏季东南部为湿区，秋季西北部为湿区。     

利用卫星大气成分资料分析夏季亚洲季风区平流层-对流层输送特征

首先利用臭氧探空资料验证了Aura-MLS卫星反演臭氧产品在青藏高原地区的可信度, 然后基于2005年和2006年夏季的数据产品确定了亚洲季风区夏季对流层向平流层的输送通道。结果表明, 青藏高原及其周边区域上对流层－下平流层（UT/LS）中, 一氧化碳(CO)和臭氧（O3）浓度散点分布大体上呈现出典型的“L”型分布, 夏季季节内变化反相关特征表现最明显的高度位于150 hPa附近。从时间变化上看, 7月份相关系数最大, 说明该月份对流层－平流层物质交换最为强烈。100 hPa高度位于对流层顶高度以上, 具有对流层特性的大气主要分布在青藏高原东南侧、 孟加拉湾、 印度半岛、 阿拉伯海以及阿拉伯半岛等区域上空, 说明该区域可能是亚洲季风区夏季对流层向平流层物质输送的一个主要通道。     

西北西部夏季干湿年的水汽输送特征

利用1961—2007年NCEP/NCAR逐月再分析资料和中国地面气候资料国际交换站数据集台站降水距平百分率资料,分析了西北西部干、湿年夏季的水汽输送差异。结果表明,北疆偏湿润年,在对流层中、低层有一支源于阿拉伯海的异常水汽输送通道,它向西北方向流经波斯湾后折向东北方向流入北疆,这是热带海洋水汽输送进入北疆的最短路径。南疆—河西走廊西部偏湿润年,异常水汽通道主要是位于对流层中、低层的一支源于北方的水汽输送带,它作反气旋式运动后以偏东气流的形式流入河西走廊西部及南疆,由于该水汽输送源自北方,水汽含量小,这可能是造成该地域极度干旱的直接原因之一;另一支更弱的异常水汽通道位于对流层高层,它源自阿拉伯海,流经印度半岛后折向北,越过青藏高原后进入南疆。     

GMS-5实时资料反演大气水汽含量的研究

采用新疆“96·7”特大暴雨期间逐日08、20时1°×1°网格常规观测资料和GMS－5红外一、二通道及水汽通道的亮温资料,对比分析了水汽通道亮温场与大气水汽含量场之间的关系,水汽通道亮温高值带对应大气水汽含量场上的干区,低值带对应温区。水汽通道亮温（W）≤230K的区域的分布和走向能够表征水汽输送通道。同时进一步讨论了GMS－5三个通道亮温资料与大气水汽含量之间的相关性,利用一元或多元回归方法拟合大气水汽含量,并对拟合结果进行了误差分析。     

夏季青藏高原大气热源准双周振荡及其传播途径

采用1979—2017年NCEP/NCAR逐日再分析资料估算大气热源,研究夏季青藏高原大气热源准双周振荡(Quasi-BiWeekly Oscillation,QBWO)的特征及传播途径。结果表明:青藏高原及其周边的大气热源QBWO的前两个主模态,即荷载中心在高原东南部的全区一致型和高原东南-西北反位相变化的偶极型,呈现了高原夏季大气热源QBWO自东向西传播过程中所处的两种不同状态。这主要是由于在中纬度地区对流层中上层,低频大气环流的活动表现为大的异常气旋和反气旋环流从我国东北经青藏高原至西亚的自东向西的传播,当移近高原时迅速增强,当西移离开高原时明显减弱。在此过程中,青藏高原及其周边、孟加拉湾以及印度半岛等地区的降水都发生了异常变化。     

伊犁河谷一次极端强降水事件水汽特征分析

2016年7月31日至8月1日,新疆伊犁河谷发生了一次极端强降水事件,多站突破降水极值。利用NCEP/NCAR 1°×1°和2.5°×2.5°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、基于地基GPS观测的大气可降水量资料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式结果,通过对水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹和暴雨区水汽收支计算,结合伊犁河谷GPS观测分析,揭示了此次强降水期间的大尺度水汽输送、辐合特征及伊犁河谷局地水汽变化特点。结果表明:（1）强降水期间大西洋及红海均对伊犁河谷的水汽供应具有贡献,河谷处于水汽通量辐合区,向西开口的地形辐合和抬升为局地暴雨的发生提供有利的动力辐合条件。低纬度印度夏季风环流和中纬度大西洋向东输送的气流共同构成伊犁河谷极端降水天气的水汽输送通道,其中印度夏季风西南水汽输送主要集中在对流层低层,对流层中层水汽的输送以大西洋向东气流和低槽自身水汽输送为主。（2）HYSPLIT模拟结果表明暴雨区3000 m中纬度偏西路径的水汽输送最为强盛,偏南路径水汽源于阿拉伯海,对流层底层偏西、偏东路径和中层偏北路径水汽通过垂直运动补充对流层低层的水汽;5000 m水汽输送轨迹以偏西路径和低槽自身携带的水汽为主。（3）降水期间水汽集中在对流层低层,通过垂直输送项向高层输送;强降水时段暴雨区对流层低层南边界水汽流入量迅速增强,中高层水汽流入主要集中在西边界。（4）降水前槽前西南气流造成伊犁河谷测站GPS-PWV明显跃升,强降水时段受印度西南季风影响,测站PWV快速增高并维持,局地GPS-PWV的增加与大尺度水汽输送辐合增强有关。     

新疆对流层中上部水汽输送特征研究

使用3年逐日逐时GMS-5水汽图像资料，经过增强处理后，对新疆地区对流层中上部的水汽输送过程进行了初步分析，发现对流层中上部进入新疆的水汽输送通道主要有西南、醅和西北3个通道，新疆对流层中上部水汽主要来自西方。     

对流层中上部水汽对高原低涡形成影响的数值试验

对1998年8月4日那曲低涡形成前的卫星监测水汽图像的分析，用η模式对该低涡进行的数值模拟，及对高原以南及洋面上空对流层中上部增加水汽的数值试验，得出：印度洋阿拉伯海是这次高原低涡形成在对流层中上部一个重要的水汽源，印度西部－阿拉伯海上空对流层中上部水汽增加，可使高原上出现有利于低涡形成的高底场，温度场条件，用卫星监测的水汽图像改善在高原以南及洋面上空对流层中上部水汽条件，对数值预报结果有改进。     

江淮流域2003年强梅雨期的水汽输送特征分析

在分析2003年6月21日到7月11日江淮流域强梅雨期间降水概况和大气环流基本特征的基础上,通过对水汽输送流函数及非辐散分量、势函数及辐散分量及江淮地区水汽收支的分析,表明江淮流域是该时期全球范围内水汽汇的一个高值中心,且水汽通量大值区和水汽辐合区与降水大值区基本一致.从水汽的输送来看,夏季印度风环流和南海夏季风是向江淮流域输送水汽的主要通道.梅雨期内,中层大气中的水汽主要是垂直上升运动对低层水汽的抬升作用,同时,低纬大洋上的水汽也可途经青藏高原后再从西边界向东输入到江淮地区,它的输送有可能增大江淮流域上空对流层中层大气中的水汽含量,从而有利于强梅雨在江淮流域的发生.计算分析还表明2003年强降水从前期的长江流域移到后期的淮河流域,是与大范围的水汽输送和辐合中心北移相联系的,较小空间范围的强暴雨洪涝的发生在有利的大尺度环境下,还与其他条件有关.     

雅鲁藏布江河谷盛夏降水年际变化及其与环流的联系

基于近57 a （1961—2017年）西藏雅鲁藏布江中游河谷地区（简称雅江河谷）4个站（拉萨、日喀则、泽当和江孜）盛夏（7—8月）月平均降水和同期NCEP/NCAR再分析资料,采用合成、相关分析等统计诊断方法,分析了雅江河谷盛夏降水的年际变化特征及其与大气环流的联系。结果表明：1）近57 a雅江河谷盛夏降水无显著线性趋势,降水主要以3～4 a显著周期的年际振荡为主。2）雅江河谷盛夏降水年际波动与区域内水汽收支的变化直接相关,其中印度半岛-东南亚异常反气旋引起的水汽输送通量和水汽在高原腹地辐合上升的动力过程是盛夏降水年际变化的主要原因。3）对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋环流是该地区盛夏降水年际异常的重要水汽输送通道,该通道将西太平洋、南海和孟加拉湾等地水汽不断输送到高原,期间西太副高和伊朗高压等大尺度系统异常对水汽输送过程起到了重要作用,同时高原盛夏季风低压和南亚高压异常给水汽在高原腹地辐合抬升提供了动力条件。     

末次冰期冰盛期中国地区水循环因子变化的模拟研究

ISCCP卫星资料(1983—2006年)的结果显示:青藏高原地区是高云的高值中心;而以四川为中心直到同纬度的中国东南沿海地区是中云的高值区,同时,青藏高原地区是中云的低值中心。利用全球气候模式CCM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和末次冰期冰盛期的气候。MM5模拟的结果与ISCCP的卫星资料对比表明:模拟结果再现了中国地区高云和中云分布的主要特征。这暗示云分布的气候特征可能主要由相对湿度决定。同时,通过MM5的结果与NCEP资料的对比也说明,模式可以较好地模拟水汽和温度的垂直分布。在此基础上,研究了末次冰期冰盛期水循环因子的变化。模拟结果显示:末次冰期冰盛期夏季对流层的温度降低,在对流层中上层存在温度降低的中心;而在冬季在南方的对流层中层存在降温中心,在北方的对流层中上层温度升高。大气中水汽含量与温度变化有很好的正相关,除了冬季北方对流层中上层水汽增加外,水汽含量一般降低,而且在近地层降低的最多,随高度增高水汽变化逐渐变小。但是,水汽的相对变化在对流层上层存在降低的高值中心。相对湿度存在变化,最大的变化超过15%,而且有增加,也有减少。在区域尺度相对湿度不是保守的。相对湿度变化与中云和低云的变化一致。在末次冰期冰盛期,中国地区高云量减少,除中国西南地区外,中云和低云量减少,低云量减少的最多。降水的变化与中云和低云的变化相对应,云量增加降水增加,云量减少降水也减少。从相对湿度和有效降水可以看到在西南地区末次冰期冰盛期变得潮湿,在夏季西北地区也变得潮湿。     

青藏高原东侧陡峭地形对一次强降水天气过程的影响

利用高分辨率中尺度模式分析资料,研究了青藏高原东侧陡峭地形对一次暴雨天气发生发展的影响。结果显示,青藏高原地形对大气环流的动力阻挡作用形成了本次暴雨过程的水汽输送通道,青藏高原东侧陡峭地形结构造成了四川西北部和黄河上游的强水汽辐合中心,并使低层高能舌和能量锋区位于海拔较低的四川盆地,在四川盆地对流层低层建立起位势不稳定层结。青藏高原东侧陡峭地形结构引起了低层偏东气流强烈的垂直上升运动,最强的垂直上升运动出现在东西风垂直切变与陡峭地形交汇处,激发不稳定能量释放,促使强对流猛烈发展,暴雨过程中高原东侧还有一个中尺度涡旋的发生发展相伴。青藏高原东侧暴雨区最显著的热力特征是高温高湿区域仅出现在对流层低层,最显著的动力特征是强涡度柱也仅出现在对流层低层。     

新疆夏季一次特大暴雨天气成因分析

通过对新疆2007.07.17大暴雨过程的T213产品物理场进行解释分析,根据揭示其动力、热力和水汽场特征,进而找出新疆大暴雨天气预报的指标。结果表明:新疆2007.07.17大暴雨天气发生在对流层中层强烈的上升运动区、对流层中低层Ω型θse高能舌中心附近以及对流层中低层偏东气流与中层偏南气流和高层偏北气流交汇处的重合区内;而对流层中低层东路水汽的输送对大暴雨的贡献最为重要。T213产品的涡度、散度、垂直运动、风场、流场、水汽通量、比湿、T-Td场在预报时效上与暴雨区一致;假相当位温场、水汽通量散度场在预报时效上超前于暴雨。     

青藏高原与同纬度其他地区热带对流层顶气压变化特征的比较

基于1979—2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法计算出青藏高原及同纬度其他地区热带对流层顶气压数据,比较了高原和同纬度其他地区热带对流层顶气压季节变化和长期变化趋势,讨论了热带对流层顶气压与高空温度的关系。结果表明:1)在季节变化上,除12月和1月外,青藏高原热带对流层顶气压全年低于同纬度其他地区;青藏高原热带对流层顶气压、对流层中上层以及平流层下部平均温度均表现出比同纬度其他地区更明显的单峰型特征。2)热带对流层顶气压与高空温度变化关系密切,对流层中上层(平流层下部)平均温度升高(降低),有利于热带对流层顶气压降低;相对于同纬度其他地区,青藏高原对流层顶气压与对流层中上层平均温度的关系更密切。3)1979—2014年青藏高原和同纬度其他地区各季节的热带对流层顶气压均呈现出不同程度的下降趋势,冬春季下降趋势更加显著;青藏高原各季节对流层中上层增温和平流层下部降温的幅度均超过同纬度其他地区,导致其热带对流层顶气压的下降趋势比同纬度其他地区更加明显。     

1984～2000年印度洋与中国地区上空对流层中上层及平流层气溶胶变化和输送特征

利用美国SAGE II (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment II)卫星最新版（6.0版）1.020 μm通道逐日气溶胶消光系数资料，得出了对流层中上层及平流层（10 km以上高度）气溶胶光学厚度的平均分布和变化特征。结果表明:气溶胶光学厚度在低纬度大，在印度洋的岛屿上空有三个高值中心，气溶胶光学厚度高值中心与对流层中上层的上升气流的高值中心相对应。与17年(1984～2000年)年平均相比，近6年（1995～2000年）孟加拉湾至青藏高原东南部上空气溶胶光学厚度明显增加；中国东部地区上空气溶胶光学厚度增加，中西部地区则减小。气溶胶光学厚度存在三个经向的增加带和两个经向的减小带。中纬度与赤道之间的布鲁尔-多普森环流（Brewer-Dobson Circulation）带来的低层大气与对流层中上层及平流层之间的气溶胶输送是导致气溶胶这种经向一致变化的主要因素。气溶胶的这种输送产生的近地面大气污染物向中上层大气输送有可能产生重要的气候变化。     

对流层中上部水汽对高原低涡形成影响的数值试验

对1998年8月4日那曲低涡形成前的卫星监测水汽图像的分析,用η模式对该低涡进行的数值模拟,及对高原以南及洋面上空对流层中上部增加水汽的数值试验,得出印度洋阿拉伯海是这次高原低涡形成在对流层中上部一个重要的水汽源;印度西部-阿拉伯海上空对流层中上部水汽增加,可使高原上出现有利于低涡形成的高度场、温度场条件;用卫星监测的水汽图像改善在高原以南及洋面上空对流层中上部水汽条件,对数值预报结果有改进.     

青藏高原地区一次强对流过程中UTLS大气成分分析

青藏高原是对流层水汽和污染物进入平流层的一个重要通道,这些大气成分会对全球气候产生重要影响。利用MLS探测资料和ERA-Interim资料,对2012年7月5日发生在青藏高原中部的一次强对流活动中对流层上部平流层下部(UTLS)H_2O、O_3、CO和IWC的分布特点进行分析,并通过Wei公式估算穿越对流层顶的臭氧和水汽通量。分析结果表明:(1)O_3混合比在100hPa附近相对多年平均略微增加,从0.3×10~(-6)(V)增加到0.9×10~(-6)(V);CO混合比在150hPa以下最大值增加了0.08×10~(-6)(V);H_2O混合比在215hPa附近增加了80×10~(-6)(V);IWC在对流过程中增加明显,在215hPa处的含量最大达到了0.027g/m~3,比多年平均值增加2倍多。(2)对流活动开始前,向上穿过对流层顶的运动逐渐增强,且总的臭氧和水汽通量输送主要由垂直方向的瞬时运动变化贡献。因此高原上的强对流活动对对流层低层大气的抬升作用会使UTLS的大气成分发生相应变化。     

利用太阳辐射计940nm通道反演大气柱水汽总量

利用太阳辐射计CE318近红外940nm水汽吸收通道和临近窗区道反演大气柱水汽总量，由于大气在940nm附近有水汽吸收。该通道不能采用通常Langley法处理，而采用改进的Langley法。利用MODTRAN3．7模式模拟出太阳辐射940nm通道透过率与水汽量关系常数，考虑了通道的光谱响应函数和不同大气模式的影响，模拟结果表明穿通道（小于10nm)上述关系常数受大气模式影响不大。总消光剔除气溶胶和分子散射，就得出水汽的透过率，从透过率反演水汽量。处理了敦煌和青海湖辐射校正场1999年7月场大气特征测量兼FY－1C辐射定标期间的数据，反演的平均水汽量与探空水汽积分比较，差异在12％以内。还计算出一天中不同时刻的水汽量，给出了同步观测6天卫星过顶前后15min平均水汽量，该水汽量用于FY－1C卫星遥感器辐射定标时辐射传输模式输入参数。结果表明太阳辐射计是一种便携有效测量水汽量仪器。     

夏季青藏高原地区水汽向平流层的等熵绝热和非绝热传输的气候学特征及其与落基山地区的对比

夏季亚洲季风区是对流层向平流层物质输送的主要通道,其对平流层水汽的变化有重要贡献。以往的研究表明亚洲季风区向平流层的水汽传输主要在青藏高原及周边地区。本文利用多年平均的逐日ERAi、MERRA再分析数据和微波临边观测仪（Microwave Limb Sounder,MLS）数据,首先对比分析夏季青藏高原周边上空水汽的分布特征,再利用再分析资料分析了对流层—平流层水汽传输的特征。结果表明:青藏高原周边特定的等熵面和对流层顶结构分布有利于水汽向平流层的绝热输送;在南亚高压的东北侧,从青藏高原到中太平洋地区,340~360 K层次存在最为显著的水汽向平流层的纬向等熵绝热输送通道,7~8月平均输送强度可达约7×103 kg s-1。此外,在伊朗高原及南亚高压的西部,350~360 K层次也存在一支水汽向平流层的经向等熵绝热输送通道,但强度相对较弱（约2.5×103 kg s-1）。在青藏高原南侧370~380 K层次存在强的水汽向平流层的非绝热输送,主要由深对流和大尺度上升运动引起,7~8月平均输送强度约0.4×103 kg s-1。落基山以东到大西洋西部,350~360 K层次存在水汽向平流层的纬向等熵绝热输送通道,但强度也弱得多（约2.5×103 kg s-1）。     

2021年10月山西一次罕见持续性强降水过程物理机制分析

利用气象观测资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料以及GDAS资料,对2021年10月2-7日山西持续性强降水天气过程进行分析。结果表明：稳定的乌拉尔山低槽后部冷空气扩散,中纬度短波槽东移,与副热带高压外围西南暖湿气流持续交汇,同时高低空急流耦合形成强烈上升运动,低层切变线和地面辐合线稳定维持,及低层水汽不断输送并形成辐合,为持续性强降水的发生发展提供有利动力和水汽条件。此次强降水过程分为对流性降水和稳定性降水2个阶段,2阶段水汽输送通道的源地、路径、高度均有明显差异,但水汽输送贡献率均以对流层中低层山西南侧的水汽输送占主导地位。降水开始前,对流层中上层存在对称不稳定,大气可降水量明显跃增;对流性降水阶段,干空气不断入侵,对流不稳定快速建立与释放,对流层中低层水汽辐合区与强上升气流配合,导致山西出现强对流天气。地形的阻挡、抬升及地形收缩作用,对局地极端强降水具有增幅作用。